Tính toán thiết kế và chế tạo hệ quang trộn ảnh kết hợp khuếch đại ánh sáng yếu và ảnh nhiệt

Trong bài viết này, nhóm tác giả đã thực hiện tính toán thiết kế hệ quang chiếu ảnh tổng hợp chùm tia và chế thử mô đun trộn ảnh quang học giữa khuếch đại ánh sáng yếu và ảnh nhiệt. Qua quá trình thử nghiệm quan sát thực tế đã làm sáng tỏ tính ưu việt của khí tài trộn ảnh quang học và chứng minh tính khả thi trong việc tiến tới làm chủ công nghệ và thiết kế, chế tạo các khí tài trộn ảnh quang học ứng dụng trong quân đội.

Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ QUANG TRỘN ẢNH KẾT HỢP KHUẾCH ĐẠI ÁNH SÁNG YẾU VÀ ẢNH NHIỆT Nguyễn Anh Tuấn*, Nguyễn Vĩnh Sửu, Phạm Đình Quý, Hà Cơng Ngun Tóm tắt: Trộn ảnh xu phát triển nóng cho thiết bị quang điện tử năm gần giới, dự báo xu hướng chủ đạo năm tới cho khí tài quang điện tử nước ta Thực trộn ảnh để kết hợp tính ưu việt khí tài ảnh nhiệt khả phát mục tiêu khả phân biệt mục tiêu với phông tốt, với ưu điểm khí tài khuếch đại ánh sáng yếu độ chi tiết hình ảnh cao cho kết quan sát trộn ảnh tổng hợp ưu điểm nêu Trong báo này, nhóm tác giả thực tính tốn thiết kế hệ quang chiếu ảnh tổng hợp chùm tia chế thử mô đun trộn ảnh quang học khuếch đại ánh sáng yếu ảnh nhiệt Qua trình thử nghiệm quan sát thực tế làm sáng tỏ tính ưu việt khí tài trộn ảnh quang học chứng minh tính khả thi việc tiến tới làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo khí tài trộn ảnh quang học ứng dụng quân đội Từ khóa: Trộn ảnh quang học; Tổng hợp chùm tia; Khuếch đại ánh sáng yếu; Ảnh nhiệt ĐẶT VẤN ĐỀ Trộn ảnh - fusion imaging xu hướng phát triển nóng lĩnh vực quan sát, ngắm bắn đêm nay, nghiên cứu phát triển để trở thành tiêu chuẩn hoạt động tác chiến ban đêm [1, 2] Với công nghệ trộn ảnh, thiết bị quan sát đêm đạt tính vượt trội sở kết hợp khả phát mục tiêu cự ly xa công nghệ ảnh nhiệt với khả phân biệt, nhận dạng mục tiêu, độ chi tiết hình ảnh địa hình, địa vật cơng nghệ khuếch đại ánh sáng yếu (KĐASY) Chính thế, dịng thiết bị quan sát đêm đáp ứng yêu cầu điều kiện tác chiến đêm đại, đặc biệt phù hợp với điều kiện tác chiến thành phố, thị xã nơi có phơng hỗn tạp nhiều bóng che, hay rừng rậm, rừng nhiệt đới nhiều sương mù nước ta Một số nhược điểm KĐASY chịu nhiều ảnh hưởng điều kiện chiếu sáng từ mơi trường, khó quan sát mục tiêu bị bóng che, che khuất hay mục tiêu hịa lẫn với phơng (mục tiêu ngụy trang) Những nhược điểm lại hồn tồn khơng tồn với thiết bị ảnh nhiệt [2], hình a Quan sát mục tiêu nguồn sáng mạnh b Quan sát mục tiêu bị bóng che Hình Sự khác biệt KĐASY ảnh nhiệt số trường hợp Có thể thấy rằng, nhược điểm thiết bị KĐASY thiết bị ảnh nhiệt khắc phục triệt để Trên sở công nghệ trộn ảnh fusion imaging, hai công nghệ bổ trợ bổ sung cho nhau, ưu điểm công nghệ bù đắp cho nhược điểm công nghệ tạo nên thiết bị với nhiều tính ưu việt Một ví dụ khả 212 N A Tuấn, …, H C Ngun, “Tính tốn thiết kế … ánh sáng yếu ảnh nhiệt.” Nghiên cứu khoa học công nghệ quan sát thiết bị trộn ảnh thể hình so sánh với thiết bị khu: - Tiêu cự: f=33,3 mm - Trường nhìn: 2ω=200 - Đường kính đồng tử ra: D=6 mm Từ tính tốn sử dụng phần mềm Zemax thiết kế hệ quang cho hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt KĐASY tiêu chí để thiết kế hệ quang là: - Bảo đảm chất lượng quan sát - Tối ưu hóa số lượng thấu kính sử dụng từ giảm khối lượng - Sử dụng vật liệu có sẵn phù hợp với công nghệ gia công nước 2.3.3 Thiết kế hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt Sử dụng phần mềm thiết kế Zemax thông số hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt tính tốn mục 2.3.1 để thiết kế hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt sau: a Hệ quang hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt b Hàm MTF c Sai sóng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 217 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường d Giản đồ điểm ảnh e Thị sai méo ảnh Hình Kết thiết kế hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt phần mềm Zemax Kết hình cho thấy, hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt có chất lượng tốt: Hàm MTF có giá trị lớn tại, tần số 20mm-1 giá trị hàm số 0,7, vậy, cho độ phân giải cao Sai sóng nhỏ lần bước sóng Tán xạ điểm ảnh nhỏ 22 µm Thị sai nhỏ 0,2 mm méo ảnh mức 3%, giá trị tốt thị kính quan sát [6, 7] 2.3.4 Thiết kế hệ chiếu ảnh kênh KĐASY Sử dụng phần mềm thiết kế Zemax thông số hệ chiếu ảnh kênh KĐASY tính tốn mục 2.3.2 để thiết kế hệ chiếu ảnh kênh KĐASY hình Kết hình cho thấy, hệ chiếu ảnh kênh KĐASY có chất lượng tốt: Hàm MTF có giá trị 0,4 tần số khơng gian 20mm-1 Sai sóng nhỏ lần bước sóng Tán xạ điểm ảnh khơng vượt q 60µm, thị sai nhỏ 0,2 mm, méo ảnh mức 3% Đối với thị kính dùng cho kênh KĐASY giá trị đáp ứng yêu cầu [6, 7] a Hệ quang hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt b Hàm MTF 218 c Sai sóng N A Tuấn, …, H C Ngun, “Tính tốn thiết kế … ánh sáng yếu ảnh nhiệt.” Nghiên cứu khoa học công nghệ d Giản đồ điểm ảnh e Thị sai méo ảnh Hình Kết thiết kế hệ chiếu ảnh kênh KĐASY phần mềm Zemax 2.3.5 Thiết kế hệ chiếu ảnh tổng hợp chùm tia cho mô đun trộn ảnh quang học Trên sở tổng hợp thiết kế hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt hệ chiếu ảnh kênh KĐASY, hệ quang hệ chiếu ảnh tổng hợp chùm tia cho mô đun trộn ảnh quang học đưa hình sau: Hình Hệ chiếu ảnh tổng hợp chùm tia cho mô đun trộn ảnh quang học CHẾ THỬ VÀ THỬ NGHIỆM MÔ ĐUN TRỘN ẢNH QUANG HỌC 3.1 Chế thử mô đun trộn ảnh quang học Dựa kết tính tốn thiết kế hệ quang chiếu ảnh nêu mục 2.3, kết hợp với thiết kế gia công chế tạo chi tiết quang học, khí điện tử, mơ đun trộn ảnh quang học tổng lắp, hiệu chỉnh hồn thiện hình 10 Hình 10 Hình ảnh mơ đun trộn ảnh quang học lắp ráp hiệu chỉnh Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 219 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường 3.2 Thử nghiệm quan sát thực tế mô đun trộn ảnh quang học Mô đun trộn ảnh quang học sau hiệu chỉnh, kiểm tra phịng thí nghiệm tiến hành thử nghiệm quan sát thực địa Tiến hành quan sát mục tiêu điều kiện như: mơi trường có nguồn sáng mạnh, mơi trường che khuất a Quan sát mục tiêu người đứng cạnh đèn pha ô tô b Quan sát mục tiêu người bị che khuất lùm Hình 11 Kết quan sát mục tiêu kênh theo thứ tự từ trái qua phải: KĐASY, kênh ảnh nhiệt (chế độ tách biên) kênh trộn ảnh Kết quan sát thực tế tổng hợp hình 11 Hình 11a kết quan sát mục tiêu người đứng bên cạnh đèn pha ô tô Khi quan sát kênh KĐASY, ảnh hưởng lóa sáng, mục tiêu bị Quan sát kênh ảnh nhiệt rõ mục tiêu Quan sát kênh trộn ảnh rõ mục tiêu bật sáng bị lóa Hình 11b kết quan sát mục tiêu người bị lùm che khuất Khi quan sát kênh KĐASY, quan sát mục tiêu Khi quan sát kênh ảnh nhiệt, phát mục tiêu đốm sáng đen Khi quan sát kênh trộn ảnh, phát mục tiêu đốm sáng xuất phông ban đầu, hoàn toàn khác so với quan sát kênh KĐASY độc lập Kết cho thấy, điều kiện đặc biệt mơi trường có nguồn sáng mạnh, hay mơi trường che khuất quan sát kênh trộn ảnh cho phép quan sát rõ phông mục tiêu, hình ảnh thu từ kênh trộn ảnh hình ảnh đầy đủ thơng tin KẾT LUẬN Bài báo đưa phương pháp tính tốn thơng số kết thiết kế hệ quang hệ chiếu ảnh tổng hợp chùm tia cho thiết bị trộn ảnh quang học Trên sở mượn sử dụng số vật tư thiết bị có sẵn kết tính tốn thiết kế hệ quang, nhóm tác giả chế thử mô đun trộn ảnh quang học KĐASY ảnh nhiệt Mơ đun trộn ảnh có kênh quan sát gồm: kênh ảnh nhiệt, kênh KĐASY kênh trộn ảnh với hình ảnh trộn hình ảnh tách biên kênh ảnh nhiệt với hình ảnh kênh KĐASY Kết quan sát thực tế mô đun trộn ảnh quang học phù hợp với kết mơ nghiên cứu trước đó, chứng minh tính hiệu thiết bị trộn ảnh quang học, đặc biệt quan sát điều kiện bị bóng che, che khuất, hay lóa sáng Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn ủng hộ cá nhân, Phòng nghiên cứu thuộc Viện Vật lý kỹ thuật hỗ trợ vật tư, thiết bị tài trợ kinh phí để có kết nghiên cứu 220 N A Tuấn, …, H C Ngun, “Tính tốn thiết kế … ánh sáng yếu ảnh nhiệt.” Nghiên cứu khoa học công nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F E Roach, Janet, L Gordon, “The Light of the night sky”, D Reidel publishing company, 1977 [2] J Martin, “Designing soldier systems: current issues in human factors”, Routledge, New York, USA, 2016, tr 137-138 [3] L V Thế, “Nghiên cứu, xây dựng toán nhận dạng ứng dụng nhận dạng cảnh báo mục tiêu xâm nhập trái phép cho hệ thống quan sát đêm,” Đề tài cấp Viện Vật lý kỹ thuật, nghiệm thu 2017 [4] N A Tuấn, “Ứng dụng thuật tốn tách biên hình ảnh Canny cho thiết bị quan sát trộn ảnh quang học,” Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, số Đặc san FEE, 102019, tr 273-280 [5] N A Tuấn, “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô đun trộn ảnh quang học cho thiết bị quan sát đêm sở sử dụng kênh ảnh nhiệt khuếch đại ánh sáng yếu có sẵn,” Đề tài cấp Viện Vật lý kỹ thuật, nghiệm thu 5/2020 [6] M J Kidger, “Fundamental Optical Design”, SPIE Press, Bellingham, WA 2002 [7] Грузевич Ю.К “Оптико-электронные приборы ночного видения”, Москва Физмалит 2014 ABSTRACT CALCULATION, DESIGN AND MANUFACTION OF OPTICAL FUSION IMAGE SYSTEM COMBINING NIGHT VISION AND THERMAL IMAGING Fusion-imaging is a steady trend for optoelectronic devices in recent years, which is forecast to be the mainstream in up-coming years in Vietnam By performing a mix of two images to combine the superior features of thermal imaging equipment with the ability to detect targets and the ability to distinguish targets from good backgrounds, with the advantages of the night vision devices, the high detailed images can be achieved In this paper, the authors have calculated, designed and manufactured a module of optical fusion image system combining night vision and thermal imaging Through field observation experiments, it has clarified the superiority of optical image mixing equipment and demonstrated the feasibility in advancing to mastering in terms of technology, design and manufacture of optical fusion imaging devices in military applications Keywords: Optical image fusion; Beam fusion; Thermal image; Night vision Nhận ngày 30 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: Phòng Kỹ thuật hồng ngoại, Viện Vật lý kỹ thuật, Viện KH&CN quân * Email: tuanvn.vn@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 221 ... chiếu ảnh tổng hợp chùm tia cho mô đun trộn ảnh quang học CHẾ THỬ VÀ THỬ NGHIỆM MÔ ĐUN TRỘN ẢNH QUANG HỌC 3.1 Chế thử mô đun trộn ảnh quang học Dựa kết tính tốn thiết kế hệ quang chiếu ảnh nêu... thơng số kết thiết kế hệ quang hệ chiếu ảnh tổng hợp chùm tia cho thiết bị trộn ảnh quang học Trên sở mượn sử dụng số vật tư thiết bị có sẵn kết tính tốn thiết kế hệ quang, nhóm tác giả chế thử... đun trộn ảnh quang học Trên sở tổng hợp thiết kế hệ chiếu ảnh kênh ảnh nhiệt hệ chiếu ảnh kênh KĐASY, hệ quang hệ chiếu ảnh tổng hợp chùm tia cho mô đun trộn ảnh quang học đưa hình sau: Hình Hệ